物理科学探疑-网友天空-宇宙的观念-光在宇宙中的运动方式
光在宇宙中的运动方式
方明
摘要：提出了光相对于引力场的速度为常量的观点，对于光行差、双星、多谱勒效应进行了解释。
一 引言
光在宇宙中的运动向我们展示了一些奇怪的现象，例如：假设一颗行星正以速度u背离地球运动，在这种情况下，如果行星向地球辐射的光相对于行星的速度为c，那么光相对于地球的速度就应当为c-u，但实验证明，光在真空中的速度始终为c，我们从未发现过光在真空中的速度为c+u或c-u；如果假设光是在以太中运行，又无法解释光行差等现象。为了解释光的这些奇怪现象，笔者提出了光相对于引力场的速度为常量的观点。
二 光在引力场中的运动
在历史上，以太曾经被认为是一种产生引力的物质，早在17世纪，笛卡儿就将以太引人科学，并用以太来解释引力现象
。以太也被认为是一种传播光的介质
，惠更斯认为，空间充满了某种介质，光波就是通过这种介质传播的。麦克斯韦的电磁场理论也是利用空间的以太而建立起来的，他认为存在着一种弥漫空间和渗透物体的以太介质，光就是以太的电磁振动状态。爱因斯坦在建立狭义相对论时，曾经放弃了以太，但当他在建立广义相对论时，又重新将以太引人引力场：“依照广义相对论，空间已经被赋予物理性。因此，在这种意义上说，存在着一种以太。依照广义相对论，一个没有以太的空间是不可思议的。因为在这样一种空间里，不但光不能传播，而且量杆和时钟也不能存在，因此也就没有物理意义上的空间-时间间隔”。
根据光的各种现象，笔者认为：如果光在真空中的速度为常量，光就应当是在一种介质中运动，这种介质既是传播光的物质，又是构成引力场的物质（请看笔者的另一篇文章：《宇宙中物质的相变》）。因此在本文中，假设以太就是传递光和形成引力场的物质，并建立以下两个定理：
（1）光相对于引力场的速度为常量 c；
（2）当一个光子从一个引力场进入另一个引力场时，该光子的动量守恒。
利用这一观点，不但可解释光相对于地球的速度问题，还能对光行差、双星、多谱勒效应进行解释。
三 光相对于地球的速度
假设一个行星以速度u朝向或背离地球运动，该行星所辐射的一个光子正朝向地球运动，根据定理（1），当光子在行星所形成的引力场中运动时，光子相对于行星的速度为
(1)
光子相对地球的速度为
(2)
在式（2）中，当行星朝向地球运动时，u为正值；当行星背离地球运动时，u为负值。光子的频率为
(3)
是光子在行星引力场中的质量。光子在行星引力场中的波长为
(4)
光子相对于地球的动量为
(5)
当光子运动到地球所形成的引力场时，根据定理（1），光子相对于地球的速度将变为
(6)
相应的，光子相对于行星的速度将变为
(7)
根据定理（2），在光子从行星引力场运动到地球引力场的过程中，光子的动量守恒。
(8)
为光子在地球引力场中的质量。由式（8）可知，当光子从行星引力场进入地球引力场时，光子的质量将发生变化，因此光子的频率和波长也将发生变化。光子在地球引力场中的频率为
(9)
光子在地球引力场中的波长为
(10)
利用式（3）、（4）、（8）、（9）、（10），得到
(11)
u是行星相对于地球的速度。当行星朝向地球运动时，u
为正值；当行星背离地球运动时，u为负值。
氢原子的喇曼系 线的本征波长是121.6nm，来自类星体3C9的这条线为366nm。将
1 nm和 nm代入式（11）得u=-0.668c。在不考虑引力红移的情况下，它表示类星体3C9正以0.668c的速度背离地球运动。这一结果与相对论不同，按照相对论，类星体3C9相对于地球的速度为
(12)
即相对论的计算结果要高于式（11）的计算结果，式（12）中的
类星体3C9所辐射的光子在进入地球引力场后，它相对于地球的速度由开始时的
变为c，而由于动量守恒，在这一过程中，光子的质量由
.
当一个在行星引力场中的光子朝向地球运动时，光子相对于地球的速度可表示为
(13)
式（13）中的u为行星相对于地球的速度，c是光子相对行星引力场的速度，
,行星以速度u朝向地球运动；当
时，行星的运动方向与光子的方向垂直。
由于宇宙正处于膨胀状态，以及每一个行星都存在运动，所以在一般情况下，在行星引力场中运动的光子相对于地球的速度不等于c。
四 解释光行差现象
假设我们所观察的行星为静止，地球以速度u运动，u的方向与行星所辐射的光的运动方向相垂直。当光在行星引力场中运动时，光相对于地球引力场的速度为
(14)
如果我们不考虑地球引力场的影响，则天文望远镜的仰角
(15)
当光进入地球引力场时，根据定理（2），光子相对于地球的动量不变，因此公式（15）仍然成立。即天文望远镜的仰角应当为
.
当光子从行星引力场进入到地球引力场后，光的波长、频率、质量以及相对于地球引力场的速度，都发生了变化。此时，光子的运动方式，与地球上的光源所辐射的光子的运动方式完全相同，即光子的运动方式已经被地球引力场所确定。因此地球的运动不应当再被考虑，此时即使是在天文望远镜中装满了水，也不能改变光的运动方向。
五 对双星观测结果的解释
相对于地球的速度将会逐渐相等。由于光子
时间很短，约为数小时或数天，我们将无法观测到由此所形成的双星轨道的偏心率。
五 解释多谱勒效应
当我们只观测在地球引力场中运动的光子时，地球引力场可看成是一个绝对坐标系。例如：当一架以速度u飞行的飞机向前方发射一束光时，由于飞机相对于地球引力场的速度为u，光相对于飞机的速度c-u；当这束光被物体反射回来时，光与飞机的相对速度为c+u。在这种情况下，光的多谱勒效应可用经典理论进行解释。
根据光的各种现象，假设光子是一种具有一个波长的能量波。则光子的波长就是光子的长度，光子被辐射或吸收的时间就是光子的周期。下面将利用这一假设分别对三种情况下的多谱勒效应进行解释。
〈1〉光源静止、接收器运动
设一个静止的光源辐射频
的光子，当这些光子被一个以速度
运动的接收器接收时，接收器所接收到的光子的频率、波长、周期分别为
实验表明，光子是不发生分裂的
，即一个光子只能被一个粒子所吸收。因此当一个光子被一个运动的粒子吸收时，光子的运动方向将随着粒子的运动而发生变化。由于吸收光子需要时间，以及接收器处于运动状态，如果接收器在
点开始接收某一个粒子，等它运动到
点时才能完成这一接收过程（见图1）
图1 静止光源所辐射的光子被一个运动的接收器所接收。
线段等于波长
在光子的接收过程种，光子尾部的运动方向总是朝向接收器，即光子的运动方向总是在变化。图1中的虚线是光子尾部的运动轨迹，它等于光子的波长
由于光子尾部的轨迹曲线不好表达，我们用一条直线来近似代替这条曲线，这样波长
可表达为
(16)
利用式（16），
(17)
(18)
(19)
(20)
（2）接收器静止、光源运动
光子在运动时，其波前和波尾均朝同一个方向运动，所以在光子被辐射的过程中，光子的运动方向是在不断变化的，直到在
点光子完全与光源分离时，光子的运动方向才被确定下来（见图2）。线段
图2中的虚线是光子波前的轨迹，它的长度等于光源静止时光子的波长
。同样，为了表达方便，用直线
可表示为
(21)
(22)
(23)
(24)
这两个结果与经典理论相一致。因为光子的波前沿着路线
光源沿着路线N1N2
的运动速度是us,
,
光子在被完全辐射后，其运动方向将与光源运动方向相垂直。将
代入式(22),
得
(25)
式（25）用于表示光子的运动方向与光源的运动方向相垂直时光子的频率。
（3）光源和接收器都运动
设光源和接收器都运动时，光子在接收器上显示的频率、波长和周期分别为
，得到在光源和接收器同时运动的情况下，接收器所收到的光子频率
(26)
(27)
(28)
以上两个结果与经典理论相同。当
,
光子的运动方向与光源和接收器的运动方向都垂直（见图3），式(26)为
(29)
这以一结果与相对论相同。当式（29）中的
图3 光源和接收器同时运动时光子的发射和吸收。
段N1N2的长度等于usTo
，线段O1O2 的长度等于urT3 . 光源在N1点开始辐射光子，在N2点完成辐射；辐射出的光子波长为
的长度等于
表示被辐射光子的波前运动轨迹，它的长度等于光源静止时光子的波长
点完成对该光子的吸收；线段
表示被吸收光子的波尾的运动轨迹，它的长度等于接收器观测到的光子波长
七 总结
本文提出了光相对于引力场的速度为c的观点，由此得出结论：在行星引力场中运动的光子，它们相对于地球的速度不等于c。通过建立定理（1）和定理（2），对光行差、双星、多谱勒效应等进行了解释，这表明光子的宏观运动可用经典理论进行解释，同时也从一个方面说明以太既是传播光的介质，又是形成引力场的物质
参考资料
[1]
中国大百科全书《物理学》编委会，中国大百科全书、物理卷，中国大百科全书出版社，1152页。
[2] 朱英华，物理学基本概念的历史发展，冶金工业出版社，50页。
[3] 朱英华，物理学基本概念的历史发展，冶金工业出版社，113—114页。
[4] 许良英等编译，爱因斯坦文集、第一卷，商务印书馆，1994，126—129页。
[5] 梁昆淼，吴秀芳，狭义相对论初步，湖南教育出版社，108页。
[6] E．H．威切曼，量子物理学《伯克利物理学教程》第四卷，科学出版社，1978，204—218页。
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